RNA世界假說(RNA World Hypothesis) 10-31-2018

RNA世界假說(RNA World Hypothesis)

核糖核酸(RNA)；去氧核醣核酸(DNA)均是屬於核酸(nucleic acids)的巨分子，是由一個一個核苷酸(nucleotides)以磷酸雙脂鍵聚合而成。 此點請網友複習起來，否則看此篇BLOG可能會有一些頭昏！

一、RNA世界假說的源起

1.  1960年代已經有科學家提出，核糖核酸(Ribonucleic Acid, RNA)是演化上最早出現，具有生命特徵巨分子的想法。

2.  這意念是由發現DNA雙股螺旋的克立克(Francis Crick)、Leslie Orgel 以及Carl Woese，三位非常優秀的科學家，根據搬運RNA(transfer RNA, tRNA)結構的啟發所衍生。

3.  Carl Woese在所著《遺傳密碼》(The Genetic Code)一書中也有提及。但是當時沒有任何人，相信RNA能扮演酵素，司化學反應的催化作用，所以這先進的看法，在當時沒有得到任何的重視！

圖01. RNA世界假說，是由1980年諾貝爾化學獎得主Walter Gilbert在1986年提出。因為那時已經具備，RNA擁有生命巨分子的兩種基本功能的概念：

a. 遺傳訊息儲存功能（DNA的功能）

b. 催化反應（蛋白質酵素的功能）

圖片來源：http://friendlyatheist.patheos.com/2016/08/31/explaining-the-rna-world-hypothesis/

What Is the RNA World Hypothesis?  (甚麼是RNA世界假說？) 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=K1xnYFCZ9Yg&t=3s

4.  核糖核酸(RNA)的次單位核苷酸，是從無生命物質中形成，經過無數次的組裝嘗試錯誤後，具有生物活性的RNA終於誕生，執行各種現今是由RNA、DNA和蛋白質共同負責的功能。

5.  RNA世界中，成員僅有RNA分子，因此，RNA必須具備：

a.  自我催化(Self-catalysis)

b.  自我組裝(Self-assembly)

c.  自我複製(Self-replication)

的能力，才能在早期孕育生命的濃湯中，完成催化組裝複製自我的反應。

The RNA Origin of Life   (生命是從RNA源起) 3分09秒的短片，用清晰幽默的卡通述說生命如何由RNA源起最適當。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=VYQQD0KNOis

6.  Czech在第一類能自我剪接的插入子(Intron group I)；Atman在核糖核酸酶(RNase)，分別發現RNA具有催化功能，而提出

  核酶(Ribozymes)的概念，也因此獲得1989年諾貝爾化學獎。

7.  因為Czech 和Atman的傑出貢獻，啟迪了另一位諾貝爾化學獎得主沃特·吉爾博特(Walter Gilbert)，於是在1986年2月Nature期刊上的論文中，提出「生命的起源： RNA 世界」這樣的觀念。

圖02. Czech及Altman因為發現核酶(Ribozymes)，而得到1989年諾貝爾化學獎。

圖片來源：https://slideplayer.com/slide/1376102/8/images/1/Ribozymes+RNA+molecules+that+act+as+enzymes+are+called+ribozymes..jpg

Origin of life: The RNA world Walter Gilbert Nature volume 319, page 618 (20 February 1986)

1986年2月20日Walter Gilbert獨自一人發表在〈Nature〉期刊上之論文標題。

圖03. 真核細胞DNA上之基因轉錄(transcription)後產生異質核RNA(hnRNA)，hnRNA中的插入子移除(Intron removal)，有兩種方式：

a.   以小細胞核核糖核蛋白(snRNPs, U1、U2、U4、U5 & U6)組成之剪接體(Spliceosomes)移除。

b.   以核酶(Ribozymes)催化之自我剪接移除 。

圖片來源：https://slideplayer.com/slide/1376102/8/images/17/RNA+Processing+Intron+removal+By+spliceosomes+Group+I+Self+splicing.jpg

二、RNA世界假說的證據

1.  在一些酶(enzyme)及輔酶(coenzyme)中，發現保存著RNA的核苷酸。分子生物學家認為，這些酶或輔酶中的RNA核苷酸是「分子化石」，是在DNA、蛋白質尚未出現之前，RNA世界留下的遺跡。

2.  試舉兩例：

a.  乙醯輔酶A(Acetyl CoA)

   圖04.  乙醯輔酶A(Acetyl CoA)是由磷酸化的腺嘌玲核苷雙磷酸

(Phosphorylate ADP)、泛酸(pantothenic acid)及乙醯基

(Acetyl group)組成。

          乙醯輔酶A的結構中，具有幫助酶催化的部分，是在圖左的硫酯

          (thioester)，可是在圖右，沒有明顯的理由保留著，RNA的核苷

          酸。

         專家認為那是RNA世界的遺跡。

圖片來源：https://chem.libretexts.org/LibreTexts/Eastern_Mennonite_University/EMU%3A_Chemistry_for_the_Life_Sciences_(Cessna)/20%3A_Energy_Metabolism/20.3%3A_Overview_of_Stage_II_of_Catabolism

b.  維生素B12(=鈷維生素)

圖05. 維生素B12(=鈷維生素)(Cyanocobalamin)，具有幫助催化作用的是最上方的CORRIN RING部分，結構中一樣沒有明顯理由的，保留具有腺嘌玲核苷單磷酸的部分(最下方)。

一樣認為是RNA世界的遺跡。

圖片來源：http://www.studyandexam.com/vitamin-b12.html

3.  形成DNA的核苷酸是由RNA的核苷酸還原而來，為何合成DNA不直接取用DNA的次單位—去氧核醣核苷酸？很可能因為演化上是先有RNA然後才形成DNA，所以才會如此。

圖06. 核糖核苷酸還原酶(RNR)有三種(Class I II III)。

RNR在演化上很重要，使RNA的世界轉變為DNA的世界。

RNR催化C2’-OH還原為C2’-H的反應。

圖片來源：http://reasonandscience.catsboard.com/t2029-ribonucleotide-reductase-one-of-the-most-essential-enzymes-of-life-and-how-it-buries-the-rna-world

4.  有些病毒的遺傳物質只有RNA，所謂的RNA病毒。這也是支持RNA是地球上最早形成生命分子的證明。

5.  最重要的證據是來自核醣體(Ribosome)的結構：

真核細胞核醣體的小次單位30S，是由16SRNA(1,542核苷酸聚合形成)以及21種蛋白質共同組成。

真核細胞核醣體的大次單位50S，是由23SRNA(2,904核苷酸聚合形成)、5SRNA(120核苷酸聚合形成)以及31種蛋白質所組成。

雖然核醣體是由rRNA以及蛋白質共同組成，但是真正催化新的蛋白質合成的核醣體部分(working part)，全部是由rRNA組成。這說明在演化初期只有RNA存在的時候，光是RNA不須要蛋白質，就能夠催化新的蛋白質產生。

圖07. 英國頂尖的科學綜合期刊〈自然〉2013年12月23日封面文章，刊登哺乳動物粒線體39S次單位的立體構造。

淺藍色部分是由核醣體RNA(rRNA)組成，土黃色部分是由蛋白質組成。

具有催化功能的部分(Working part)=淺藍色部分，幾乎全是rRNA。

(Cover page of Nature (left) and 4.9 Å cryo-EM map of the mammalian 39S mitoribosomal subunit)

圖片來源：http://cryoem.berkeley.edu/~bgreber/website/pages/mitoribosome.html